Java 泛型系统的不协变问题和类型推断

原文：http://jerrypeng.me/2013/02/java-generics-invariant-and-inference/

下面以这段短小的代码来作为例子解释：
static interface Plant {}
static class Grass implements Plant {}
static class Tree implements Plant {}
static class AppleTree extends Tree {}
static class BananaTree extends Tree {}

public static void main(String[] args) {
    List<Class<? extends Tree>> list1
         = Arrays.asList(AppleTree.class, BananaTree.class);
    List<Class<? extends Plant>> list2
         = Arrays.asList(AppleTree.class, BananaTree.class);
    List<Class<? extends Plant>> list3
         = Arrays.asList(AppleTree.class,  BananaTree.class, Grass.class);
    List<? extends Class<? extends Plant>> list4
         = Arrays.asList(AppleTree.class,  BananaTree.class);
}
上面的代码编译无法通过，读者可以猜测一下是哪一处有问题。
答案是 list2 处。但为什么会这样呢？这要分两部分来说明：
泛型的“不协变（invariant）”问题
Java 泛型方法调用的类型推断
Java 泛型的“不协变”问题
其实这个问题是所有接触到 Java 泛型的人很快就会遇到的，应该属于很基础的 内容。Java 数组是协变（covariant）的，而泛型系统在不用 wildcard type 的 情况下是不协变的（invariant）1。比如可以把 Integer[] 赋值 Number[] ，但是不能把 List<Integer> 赋值给 List<Number> 。
但是当出现嵌套的泛型类型加上 wildcard type 时，我们还是容易迷 惑2。比如 List<Integer> 可以赋值给 List<? extends Number> ，那么 Set<List<Integer>> 是否可以赋值给 Set<List<? extends Number>> 呢？乍一看好像是可以的，但其实是不行的， 而我犯的就是这个错误。应该牢记，在不使用 wildcard type 的情况下泛型是不 协变的。虽然可以认为 List<Integer> 是 List<? extends Number> 的子类 型，但 Set<List<Integer>> 不是 Set<List<? extends Number>> 的子类 型。为了解决这个问题，我们还是要加上 wildcard，把 Set<List<? extends Number>> 改成 Set<? extends List<? extends Number>> 即可解决问题。
说了这么多，其实就是一个简单的道理：想获得协变的效果，就要使用 wildcard 加 extends。
回到前面的例子， list2 那里编译不通过的原因，看一下错误信息，结合上 面的解释应该就很明了：
Type mismatch: cannot convert from List<Class<? extends TypeInference.Tree>> to List<Class<? extends TypeInference.Plant>>
在类型声明处加上 ? extends 就可以解决问题， list4 处加上以后编译立 刻能通过了。
剩下的问题是，为啥 list1 和 list3 两处可以通过编译？
方法调用的类型推断
方法调用的类型推断是个十分复杂的过程，对其完整的规则我还没有一个深入的 理解，说实话试图阅读 Java Language Specification 相关部分对我来说都十分 困难，感觉好难懂，有兴趣的读者可以自行查看相关章节（15.12.2.7 Inferring Type Arguments Based on Actual Arguments）。
不过对于上面那个简单的例子，我可以得出一个比较 naive 的结论：
对于某个泛型方法 M 中包含的泛型参数 T1..Tn，Java 编译器会根据调用上下文
（Calling Context），包括实际参数和返回值等，推断出尽可能“具体”的实际
类型。
另外还有一条我还不太确定的结论：如果一个泛型参数同时出现在参数和返回值 中，则类型推断以参数为准，仅当不包含泛型参数的时候才会参考函数返回值。
看一下上面的例子， list1 ， list2 ， list3 看起来差不多，为什么 只有 list2 处编译不通过？我们可以结合上面提到的规则看一下：
根据 list1 处的两个参数 AppleTree.class 和 BananaTree.clas 可 以推断出来的最“具体”的类型是 List<Class<? extends Tree>> ，和前面 list1 的声明完全吻合，所以不受不协变的影响，是合法的。
根据 list3 处的三个参数 AppleTree.class ， BananaTree.class 和 Grass.class 可以推断出来的最“具体”的类型是 List<Class<? extends Plant>> ，和 list3 的声明也完全吻合，同理也是合法的。
list2 处推断出来的是 List<Class<? extends Tree>> ，和前面声明的 List<Class<? extends Plant>> 不兼容，所以编译报错。
再回到最开始那个例子，其中的 Module 是 Google Guice 的一个接口，而下 面那句 newHashSet 调用推断出来的是 Set<Class<? extends AbstractModule>> ，所以会报错。只要相应地把方法返回值改成 Set<? extends Class<? extends Module>> 即可解决我最初的问题。